Клапанный механизм – Устройство газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания: назначение, принцип работы

Клапанный механизм

 

 

 

Клапанный механизм включает в себя следующие детали: клапаны, на­правляющие втулки, седла клапанов, возвратные пружины, опорные тарел­ки, сухари, механизм вращения клапана (двигатель ЗИЛ-508.10).

Клапаны предназначены для герметизации цилиндра при тактах сжатия и рабочего хода и соединения их с трубопроводами впускной или выпускной системы при тактах впуска или выпуска в процессе газообмена.

Условия работы клапанов:

• большие динамические нагрузки;

• высокие скорости перемещения;

• неравномерный нагрев отдельных участков;

• повышенная коррозионно-активная среда.

Материал изготовления клапанов

Клапаны изготовляются из легированных сталей с высоким содержани­ем хрома и никеля.

 

 

Устройство клапана

Притирка клапанов Притирка клапанов обеспечивают лучшую герметичность. Как проводится притирка клапанов и какие приспособления используются для притирки клапанов

Клапан состоит из головки (или тарелки) и стержня. Различают клапа­ны с плоской, выпуклой и тюльпанообразной головками. Головки обычно имеют небольшой (около 2 мм) цилиндрический поясок и уплотнительную фаску, снятую под углом 45 и 30 градусов. Уплотнительные фаски клапанов шли­фуют и притирают к седлам (притирка клапанов), а стержни подвергают термообработке, шли­фовке, полировке и покрывают хромом. Торцы стержней (3—5 мм) закали­вают. На концах стержней имеются цилиндрические, конусные или фасон­ные проточки для крепления клапанных пружин.

Чтобы уменьшить напряженность выпускных клапанов, возникающую вследствие высоких температур, в ряде двигателей применяют натриевое ох­лаждение. С этой целью клапан выполняют полым с утолщенным стержнем и примерно на 1/3 полости заполняют металлическим натрием, температура плавления которого составляет около 97 К. В рабочем состоянии расплав­ленный натрий, перемещаясь внутри полости при возвратно-поступатель­ном движении клапана, увеличивает интенсивность отвода теплоты от горя­чей головки к более холодному стержню и далее к направляющей втулке.

Направляяющие втулки

Направляющие втулки обеспечивают строго перпендикулярное относи­тельно седла перемещение клапанов. Материалом для изготовления направ­ляющих втулок служат в основном перлитный чугун и металлокерамика, представляющая собой смесь из порошков железа, меди и графита, которые подвергаются прессованию, спеканию в печи и пропитыванию маслом. Отвозможного просачивания в цилиндры масла, стекающего по стержням впускных клапанов, последние снабжаются само подвижными манжетами.

Клапанные пружины

Клапанные пружины

обеспечивают плотное прилегание клапанов к сед­лам и своевременное их закрытие после завершения действия кулачков рас­пределительного вала. Характеристику (жесткость) клапанных пружин под­бирают из условий сохранения кинематической связи между деталями меха­низма газораспределения. Клапанные пружины изготовляются из стальной проволоки диаметром 4-6 мм, легированной марганцем и хромом.

Нижним концом пружина опирается на головку блока цилиндров через специальную опорную тарелку, а верхним концом соединяется двумя сухарями с клапаном через верхнюю тарелку. Для этой цели сухари на внут­ренней поверхности имеют выступы, которые входят в проточку клапана, а гладкая наружная поверхность сухарей выполнена в виде усеченного конуса.

Два сухаря установленные на клапан, образуют опорную коническую поверхность, которая сопрягается с опорной поверхностью проточки в верхней тарелке, и это соединение удерживается в замкнутом состоянии за счет предварительного сжатия пружины. Чтобы устранить возможность возникновения опасного для прочности пружин резонанса, на клапаны ставят по две пружины с навивкой витков в противоположные стороны или делают пружины с переменным шагом навивки.

Седла клапанов

Седла клапанов. Наиболее важным сопряжением, определяющим долго­вечность механизма газораспределения, является сопряжение седло — кла­пан, так как оно подвержено ударным нагрузкам при посадке клапана и значительным термическим перегрузкам. Седло клапана, с которым сопри­касается уплотнительная фаска клапана, обрабатывают инструментом с уг­лами заточки 15, 45 и 75 градусов таким образом, чтобы уплотнительный поясок седла имел угол 45 градусов и ширину около 2 мм. По своим размерам поясок дол­жен подходить ближе к меньшему основанию конусной фаски клапана. Фаска клапана имеет меньший угол и соприкасается с седлом только узким пояском у своего большого основания, что обеспечивает хорошее уплотне­ние клапанного отверстия. Вставные седла изготовляются в виде отдельных колец из специального чугуна, легированной стали или металлокерамики.

Механизм вращения клапана

Для поддержания в рабочем состоянии контактных поверхностей уплотнительных фасок выпускных клапанов иногда применяют специальные устройства, позволяющие принудительно поворачивать клапаны в процессе работы.

Механизм вращения клапана состоит из неподвижного корпуса, в наклонных канавках которого расположены пять шариков с возвратными пружинами, дисковой пружины и опорной шайбы с замочным кольцом. Механизм вращения клапана устанавливается в расточке, сделанной в головке блока цилиндров иол опорной шайбой клапанной пружины. При закрытом клапане давление на дисковую пружину невелико, и она вогнута наружным краем вверх, а внутренним краем опира­ется в заплечик корпуса. Шарики отжаты пружинами в исходное положе­ние. В момент открытия клапана усилие со стороны клапанной пружины возрастает, под действием чего дисковая пружина, выпрямляясь, перелает усилие на шарики и вызывает их перемещение в углубление. Когда клапан закрывается, сила, действующая на дисковую пружину, уменьшается, и она, выгибаясь, освобождает шарики. Шарики под действием возвратных пру­жин перемешаются в исходное положение, что приводит к повороту клапа­на на некоторый угол (клапаны совершают 20—40 оборотов в минуту).

В некоторых двигателях применяют менее эффективное, но более про­стое устройство, основанное на использовании способа крепления клапан­ной пружины на стержне клапана. Крепление пружины на клапане состоит из опорной тарелки, втулки и двух сухарей.

Неисправности ГРМ, подробнее

Клапанный механизм

16.05.2010

Краткий обзор типов клапанного механизма

Воздух и топливо входят в камеру сгорания, а отработавшие газы покидают ее через порты клапанов. Клапаны, расположенные в портах камеры сгорания, открываются и закрываются, позволяя обеспечивать прохождение воздушно-топливной смеси/отработавших газов или герметизировать камеру сгорания. Для правильной работы двигателя клапаны должны открываться и закрываться в правильные моменты времени. Фазы газораспределения (моменты открывания или закрывания клапанов) задаются распределительным валом, воздействующим на клапанный механизм.

В автомобильных двигателях используются два основных типа клапанного механизма. Это -клапанный механизм с верхним расположением клапанов (OHV) и клапанный механизм с верхним расположением распределительного вала (ОНС). В клапанном механизме OHV используется один распределительный вал, центрально расположенный в блоке цилиндров. Кулачки распределительного вала посредством группы взаимосвязанных механических элементов управляют моментами открывания и закрывания клапанов, расположенных в головке цилиндров. Клапанный механизм ОНС использует один или несколько распределительных валов, установленных прямо на головке цилиндров над клапанами. Моменты открывания и закрывания клапанов задаются кулачками распределительного вала (валов).

 
Клапанный механизм со штангами толкателей (OHV)

Двигатели со штангами толкателей, также известные как двигатели с верхним расположением клапанов (OHV), имеют один распределительный вал, расположенный в блоке цилиндров. Клапаны располагаются в головке цилиндров над камерой сгорания. Клапаны открываются и закрываются в результате воздействия кулачков распределительного вала на толкатели, штанги толкателей и клапанные рычаги («коромысла»).

Основные элементы клапанного механизма OHV — это:
•    Головка цилиндров
•    Клапаны
•    Седла клапанов
•    Направляющие втулки клапанов
•    Клапанные пружины
•    Распределительный вал
•    Штанги толкателей
•    Толкатели
•    Клапанные рычаги
•    Привод распределительного вала

•    Привод клапана с верхним расположением

Двигатели имеют каналы, которые пропускают воздушно-топливную смесь в цилиндры и выпускают отработавшие газы, образующиеся после сгорания смеси. Эти каналы, называемые портами клапанов, очень плотно герметизируются на протяжении четырехтактного цикла. Клапаны должны открывать и закрывать порты в точные моменты времени.

Когда распределительный вал вращается, кулачок воздействует на толкатель. Толкатель нажимает на штангу толкателя, которая толкает вверх один из концов клапанного рычага. Другой конец клапанного рычага надавливает на шток клапана и заставляет клапан преодолевать усилие пружины и открываться. После того как кулачок проходит толкатель, клапанная пружина воздействует на клапан, и далее на клапанный рычаг, штангу толкателя и толкатель. Когда кулачок поворачивается достаточно далеко, клапан плотно закрывается в седле клапана.

Привод распределительного вала

В двигателях ОНС распределительный вал (ы) располагается в головке цилиндров.

Преимущества верхнего распределительного вала заключаются в следующем:

•    Меньшее количество элементов в клапанном механизме
•    Более высокая точность и прямой привод клапанов
•    Уменьшение потерь на трение

Один распределительный вал с верхним расположением (SOHC)

Двигатели SOHC обычно имеют по два клапана на цилиндр. В двигателях SOHC используются толкатели роликового типа, которые располагаются под распределительным валом, или клапанные рычаги, которые находятся над распределительным валом.

Два распределительных вала с верхним расположением (DOHC)

В двигателе DOHC работа по открыванию клапанов распределяется между двумя распределительными валами. В двигателях DOHC обычно имеется по четыре клапана на цилиндр. Большее количество клапанов на цилиндр позволяет более эффективно впускать воздушно-топливную смесь на ходе впуска и выпускать отработавшие газы на ходе выпуска.

В двигателях DOHC для воздействия на клапаны используются или толкатели роликового типа или механические толкатели прямого действия.

Привод распределительного вала

Задача газораспределительного механизма заключается в координации впуска воздушно-топливной смеси и выталкивания отработавших газов при возвратно-поступательном перемещении поршня. Это выполняется посредством синхронизации вращения коленчатого вала с распределительным валом (ами). Т.к. коленчатый вал выполняет два оборота на каждый цикл сгорания, а распределительный вал делает только один оборот, передаточное число всегда должно быть равно 2:1. Моменты открывания и закрывания клапанов обозначаются в градусах поворота коленчатого вала. Имеются различные варианты привода распределительного вала. В качестве привода клапанного механизма (а точнее, распределительного вала) могут использоваться:

•    Зубчатые колеса
•    Цепь
•    Ремень

Головка цилиндров для клапанного механизма со штангами толкателей (OHV)

Головка цилиндров крепится болтами сверху на блоке цилиндров и образует «крышу» камеры сгорания. Головка цилиндров:
•    уплотняет верхние зоны цилиндров.
•    размещает свечи зажигания.
•    размещает седла клапанов, направляющие втулки клапанов и порты для впускных и выпускных клапанов.
•    размещает клапанный механизм.
•    имеет опорные поверхности для установки впускного и выпускного коллекторов.

Как и блок цилиндров, головка цилиндров изготавливается из чугуна или алюминиевого сплава. Впускной и выпускной коллекторы крепятся к головке цилиндров напротив портов клапанов. Большинство двигателей V-6 или V-8 имеют по две головки цилиндров — по одной для каждого ряда цилиндров. Верхняя часть головки цилиндров изготавливается таким образом, чтобы на ней можно было установить клапанные рычаги или другие элементы клапанного механизма.

Прокладка головки цилиндров

Прокладка головки цилиндров обеспечивает газо- и водонепроницаемость стыка между головкой цилиндров и блоком цилиндров. Кроме того, прокладка головки цилиндров компенсирует любые незначительные неровности, имеющиеся на сопрягаемых поверхностях. По этой причине прокладка головки цилиндров должна изготавливаться из достаточно податливого материала.

Болты головки цилиндров

Болты крепления головки цилиндров надежно фиксируют головку цилиндров относительно блока цилиндров. Имеются два типа болтов крепления головки цилиндров: обычные и «с затяжкой до предела текучести». Обычные болты затягиваются поэтапно с использованием динамометрического ключа с постепенным увеличением момента затяжки. Болты с затяжкой до предела текучести также затягиваются с последовательным постепенным увеличением момента затяжки. Однако, заключительная стадия — это затяжка болтов на заданный угол, используя угломер. На этой заключительной стадии резьба слегка деформируется, что способствует созданию большей «несущей способности» болта. Вследствие деформирования резьбы болтов крепления головки цилиндров в процессе затягивания, болты с затяжкой до предела текучести можно повторно использовать только в том случае, когда это разрешено изготовителем автомобиля.

Клапаны

Клапан имеет круглую головку с конической поверхностью (фаской), которая уплотняется в седле в головке цилиндров. Вследствие конструкции клапана, имеющей шток и головку, такой клапан иногда называется тарельчатым клапаном.

Головка клапана — это больший по диаметру конец клапана, который герметизирует порт клапана. Поверхность головки цилиндров, относительно которой клапан обеспечивает уплотнение, называется седлом клапана. Головка клапана имеет механически обработанную поверхность, называемую посадочной фаской или рабочей (уплотняющей) поверхностью клапана. Посадочная фаска клапана — это место контакта между клапаном и седлом клапана. И посадочная фаска клапана и седло клапана должны быть механически обработаны таким образом, чтобы образовать герметичное уплотнение при закрытом положении клапана. Полный контакт между клапаном и седлом клапана необходим для того, чтобы отводить тепло от рабочей поверхности клапана в головку цилиндров. «Стойкость клапана» определяется толщиной головки клапана.

Седло клапана

Седло клапана — это зона контакта головки цилиндров с посадочной фаской клапана, когда клапан находится в закрытом положении. Седла имеются и у впускных и у выпускных клапанов. Зона седла клапана должна быть достаточно твердой, чтобы постоянно противостоять ударам, т.к. клапан открывается и закрывается достаточно быстро. Седло также должно быть способно обеспечивать теплопередачу, чтобы клапан не перегревался и не деформировался. Поскольку отработавшие газы коррозионно агрессивны, седла выпускных клапанов должны быть устойчивыми к воздействию коррозии. Вставное седло клапана запрессовывается в головку цилиндров. Эта вставка изготавливается из материала, отличного от материала головки цилиндров и имеющего необходимую твердость, тепловые и противокоррозионные свойства.

Шток клапана

Шток клапана — это длинная, узкая часть, расположенная над головкой. Шток клапана имеет канавку на конце, которая используется для закрепления клапана в головке цилиндров посредством сухарей. На конце штока клапана устанавливается клапанная пружина. Пружина сжимается в требуемом положении на штоке клапана посредством того, что снизу она опирается на поверхность гнезда пружины в головке цилиндров, а сверху фиксируется в требуемом положении на верхней части штока клапана посредством тарелки и сухарей. Тарелка и сухари удерживаются в требуемом положении постоянным давлением на них со стороны пружины и фиксируются в канавке штока клапана, таким образом обеспечивая постоянное стремление клапана в закрытое положение. Шток клапана проходит через направляющую втулку клапана, которая также удерживает клапан в требуемом положении в головке цилиндров.

Направляющие втулки клапанов

Направляющие втулки клапанов обеспечивают точность посадки клапанов в головке цилиндров. Они позволяют штокам клапанов проходить через камеру сгорания к верхней зоне головки цилиндров, в которой устанавливаются клапанные пружины. Некоторые направляющие втулки клапанов являются неотъемлемой частью отливки головки цилиндров. Другие направляющие втулки клапанов представляют собой вставки из «мягкого» сплава, которые изготавливаются отдельно и затем запрессовываются в головку цилиндров. Радиальный зазор между направляющей втулкой клапана и штоком клапана минимален. Он точно рассчитывается только для обеспечения достаточного пространства для смазки и свободного возвратно-поступательного перемещения штока.

Конструкции, в которых на один цилиндр приходится три или четыре клапана, используются потому, что «многоклапанная» схема более точна и эффективна. В трех клапанной конструкции обычно используются два клапана для впуска и один клапан для выпуска. В четырех-клапанной конструкции используются по два клапана для впуска и выпуска.

Клапанный зазор

Когда клапан перемещается в закрытое положение, он должен плотно сесть в седле клапана. Чтобы выполнить это, не должно быть никакого давления на шток клапана. На некоторых двигателях создается небольшое пространство между кончиком штока клапана и приводом (клапанным рычагом, толкателем, гидравлическим толкателем). Это пространство называется клапанным зазором. Клапанный зазор должен быть точно отрегулирован, чтобы избежать повышенного шума и обеспечить надежную работу. Если клапанный зазор слишком велик, двигатель работает шумно. Если клапанный зазор отсутствует, клапан не способен плотно сесть в седле клапана. Отработавшие газы смогут проходить через седло клапана и в конечном счете прожечь отверстие в клапане в месте протечки. В некоторых двигателях клапанный зазор поддерживается механическими мерами, такими как установка регулировочной прокладки.

Конструкции с механической регулировкой зазора могут требовать периодических регулировок. В некоторых двигателях клапанный зазор поддерживается автоматически посредством гидравлических устройств. Гидравлическое устройство (толкатели различной конструкции) удлиняется под воздействием гидравлического давления масла, что позволяет обеспечить постоянный контакт с кончиком штока клапана. При закрывании клапана давление масла сбрасывается, позволяя клапану плотно сесть в седло клапана (закрыться).

Клапанные пружины

Клапанная пружина отвечает за плотность посадки клапана в седле клапана при закрытии клапана. Пружина устанавливается в верхней зоне головки цилиндров вокруг штока клапана. Верхние и нижние тарелки предотвращают износ пружины и удерживают ее на месте. Сухари клапана, устанавливаемые в верхнюю тарелку пружины, фиксируются в канавке штока клапана и удерживают все перечисленные элементы в требуемом положении.

Усилие пружины

Клапанная пружина должна быть способна создавать усилие, достаточное, чтобы удерживать клапан в седле клапана плотно закрытым. Кроме того, клапанные пружины должны удерживать все элементы клапанного механизма в контакте друг с другом, т.к. двигатель работает с высокой частотой вращения. В то же самое время, клапанная пружина не должна создавать слишком большое усилие, т.к. это вызовет преждевременный износ элементов. Поэтому клапанные пружины рассчитываются на создание вполне определенного усилия, отвечающего конкретной конструкции двигателя.

Рабочая высота пружины

Рабочая высота — это длина пружины, когда она установлена в головку цилиндров, а клапан полностью закрыт.

Распределительный вал

Распределительный вал управляет фазами газораспределения клапанов (моментами открывания и закрывания клапанов).

Распределительный вал приводится в движение коленчатым валом посредством зубчатой передачи, цепного или ременного привода.

Распределительный вал вращается с частотой вращения, равной половине частоты вращения коленчатого вала, что позволяет обеспечивать правильное газораспределение в четырех тактах сгорания. Открывание и закрывание клапанов выполняется кулачками, расположенными на распределительном вале. Каждому клапану двигателя, независимо от конструкции последнего, соответствует свой собственный кулачок на распределительном вале. В зависимости от конструкции двигателя в нем может иметься только один или несколько распределительных валов.

Подъем клапана

Высота подъема клапана — это расстояние, на которое приподнимается клапан над седлом клапана при полном открывании клапана. Высота подъема клапана задается высотой кулачка и конструкцией клапанного механизма. Клапан должен приподниматься настолько, чтобы позволить воздушно-топливной смеси свободно входить в цилиндр, а отработавшим газам свободно вытекать из цилиндра, и при этом клапан не должен сталкиваться с поршнем, а пружина не должна заедать.

Продолжительность открытого состояния клапана

Продолжительность открытого состояния клапана -это отрезок времени, в течение которого кулачок распределительного вала удерживает клапан открытым. Продолжительность измеряется в градусах поворота распределительного вала и задается формой кулачка. Изменение продолжительности воздействует на рабочие характеристики двигателя, определяя, какой крутящий момент и мощность генерируются при данной частоте вращения коленчатого вала двигателя.

Перекрытие клапанов

Перекрытие клапанов -это состояние, когда впускной и выпускной клапаны открыты одновременно.

Перекрытие клапанов обычно имеет место в последней части хода выпуска четырехтактного цикла. Чтобы обеспечить хорошее прохождение воздушного потока в цилиндр на ходе впуска, впускной клапан должен начать открываться раньше, чем закончится ход выпуска.

Перекрытие клапанов задается расположением кулачков на распределительном вале. Перекрытие клапанов измеряется в градусах поворота распределительного вала. Изменение перекрытия клапанов оказывает влияние на рабочие характеристики двигателя.

Клапанный механизм с верхним расположением клапанов

В двигателе OHV, в котором распределительный вал устанавливается ниже клапанов в блоке цилиндров, для приведения в движение цепи газораспределительного механизма, которая вращает звездочку распределительного вала, используется звездочка коленчатого вала.

Штанги толкателей

В двигателе OHV штанги толкателей передают движение на подъем от распределительного вала и толкателей к клапанам. Штанги толкателей изготавливаются из жесткой стальной трубы и имеют на концах чашеобразные или шаровые головки. На некоторых двигателях используются штанги толкателей с изменяющейся длиной, что позволяет обеспечить первичную регулировку зазора с помощью гидравлических толкателей.

Клапанные рычаги

Клапанный рычаг передает движение от штанги толкателя или распределительного вала к клапану, полностью изменяя направление перемещения. Ось для клапанного рычага проходит через сам рычаг (высверливается отверстие для оси), поэтому клапанный рычаг может качаться на оси такого клапанного рычага.

Толкатели клапанов

Толкатели клапанов передают движение подъема от кулачков к штокам клапанов. Толкатель предохраняет шток клапана от бокового давления. Толкатели могут быть жесткими или иметь гидравлический привод. Кроме того, толкатели могут иметь или плоскую контактную поверхность или роликовый механизм, позволяющий уменьшить трение.

Жесткий толкатель клапана

Жесткий толкатель клапана передает движение от кулачка к клапану. Жесткий толкатель — это цельный элемент, не имеющий никаких движущихся частей. Двигатели, оснащенные жесткими толкателями, требуют выполнения периодических регулировок, позволяющих уменьшить износ клапанного механизма и устранить шум.

Гидравлические толкатели клапанов

Гидравлические толкатели не только передают движение, но также могут компенсировать изменения величины клапанного зазора. Гидравлический толкатель — это гидравлический цилиндр, который регулирует величину клапанного зазора, используя давление моторного масла и усилие, создаваемое внутренней пружиной.

Роликовые толкатели и толкатели с плоской рабочей поверхностью

Распределительный вал, воздействуя на плоскую поверхность толкателя, создает трение. Чтобы уменьшить трение, некоторые толкатели имеют ролик, встроенный в зону контактной поверхности толкателя. Распределительный вал контактирует с роликом, а не с плоской поверхностью (причиной трения). Клапанный рычаг с роликом аналогичен клапанному рычагу и имеет то же самое преимущество, что и роликовый толкатель. Один конец клапанного рычага с роликом подпирается толкателем, который управляет регулировкой зазора. Другой конец клапанного рычага с роликом воздействует на клапан по мере того, как распределительный вал «наезжает» на ролик.

Толкатели клапанов при верхнем распо¬ложении распределительного вала (ОНС)

Английский термин «cam follower» — это другой термин для обозначения механического толкателя клапана («mechanical lifter»). Обратитесь к гл. «Толкатели клапанов».

Жесткие толкатели клапанов «поршневого типа»

Жесткие толкатели клапанов, так называемого, «поршневого типа», используемые в двигателях ОНС и DOHC, предлагают способ корректировки клапанного зазора. Регулировочные прокладки различной толщины позволяют изменять зазор между распределительным валом и толкателем.

Гидравлические компенсаторы клапанных зазоров при верхнем расположении распределительного вала (ОНС)

Гидравлический компенсатор клапанного зазора -это вариант гидравлического толкателя для двигателя ОНС. На многих двигателях ОНС клапанные зазоры регулируются автоматически гидравлическими компенсаторами клапанных зазоров. Гидравлические компенсаторы клапанных зазоров устраняют потребность в ручной регулировке клапанов. Гидравлический компенсатор клапанного зазора «поршневого типа» располагается между верхушкой штока клапана и распределительным валом. В этой конструкции распределительный вал контактирует непосредственно с верхней поверхностью регулятора зазора.

Гидравлические компенсаоры клапанных зазоров, установленные в клапанных рычагах

Гидравлические компенсаторы клапанных зазоров, установленные в клапанных рычагах, во многом работают подобно гидравлическому компенсатору зазора «поршневого типа», за исключением того, что они находятся в контакте с клапанными рычагами, а не с распределительным валом.

Гидравлический компенсатор зазора, установленный в клапанном рычаге, не имеет корпуса регулятора, но шариковый клапан, плунжер и внутренний корпус работают также, как и в гидравлическом компенсаторе зазора «поршневого типа», что позволяет поддерживать нулевой клапанный зазор.

Привод распределительного вала с верхним расположением

Чтобы приводить в движение распределительный вал (ы), шкив или звездочка на конце коленчатого вала приводит в движение ремень или цепь газораспределительного механизма, который (ая), в свою очередь, приводит во вращение шкив (ы) или звездочку (и) распределительного вала (ов). Шкивы или звездочки распределительных валов, имеющие кинематическую связь с цепью или ремнем, затем приводят во вращение каждый распределительный вал. Шкив зубчатого ремня газораспределительного механизма, расположенный на коленчатом вале, имеет количество зубьев, равное половине количества зубьев на шкивах распределительных валов, поэтому распределительные валы совершают один оборот на каждые два оборота коленчатого вала. Привод распределительного вала типа ОНС также включает в себя натяжной шкив (натяжитель) и пружину натяжителя или гидравлический автоматический натяжитель, которые обеспечивают натяжение цепи или ремня газораспределительного механизма и фазы газораспределения клапанов.

Комбинированный ременно-цепной привод

Другой тип привода DOHC — это комбинация ременного и цепного привода. В этой конструкции ремень газораспределительного механизма приводит в движение впускной распределительный вал, а цепь газораспределительного механизма -выпускной распределительный вал. Главное преимущество этой конструкции заключается в том, что она позволяет клапанам располагаться под более вертикальным углом. Этот угол обеспечивает увеличение эффективности сгорания, улучшение экономии топлива и более низкую токсичность выхлопа.

Комбинированный ременно-зубчатый привод

В этой компоновке с двумя распределительными валами с верхним расположением (DOHC) ремень и шкив используются для привода от коленчатого вала только одного распределительного вала. Второй распределительный вал приводится в движение от первого посредством зубчатой передачи с косыми зубьями. Одно из косозубых зубчатых колес имеет на один зуб больше, чем другое. Зубчатое колесо с дополнительным зубом называется фрикционным зубчатым колесом, потому что оно обеспечивает плотный контакт между зубчатыми колесами. Это заедание уменьшает уровень шума в шестернях и клапанном механизме в процессе работы.

Регулируемое газораспределение

В некоторых двигателях DOHC используется регулируемое газораспределение (VCT). Аналогичная система известна и под аббревиатурой WT. В любой из этих систем гидравлическое исполнительное устройство изменяет фазы газораспределения клапанов, т.е. моменты открывания и закрывания клапанов. Газораспределение изменяется в зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя и позволяет улучшить характеристики двигателя.

автозапчасти в москве

Четырехтактный двигатель: Клапанный механизм | Мото вики

В принципе, все четырехтактные двигатели похожи, они отличаются только расположением и приводом впускных и выпускных клапанов. Как и многое другое в мотоцикле, стремление достичь высоких скоростей и мощностей привело к существенному усовершенствованию четырехтактного двигателя. Ниже рассмотрены различные схемы, начиная с нижнеклапанной, которая, несмотря не то, что во многом устарела, послужит для демонстрации степени развития современных конструкций с верхним распредвалом.

Нижнеклапанный механизм газораспределения (SV)Править

Конструкция нижнеклапанного механизма

Нижнеклапанный двигатель является относительно простой реализацией четырехтактного цикла, в нем используется минимум деталей для передачи усилия от распредвала к клапану. Привод распредвала осуществляется шестеренчатой или цепной передачей, расположенной рядом с коленчатым валом. Кулачки опираются на толкатели. которые представляют собой короткие штанги, перемещающиеся параллельно оси цилиндра. В этих штангах есть регулировочные винты с контргайками, при помощи которых можно изменять длину для обеспечения требуемого зазора в клапанах между толкателем и стержнем клапана. Такое расположение клапанов означает, что они находятся в выступе камеры сгорания сбоку от цилиндра, а не в головке, как в других четырехтактных двигателях.

Скорее всего, нижнеклапанный двигатель — самый простой и дешевый из четырехтактных двигателей, и большинство английских и американских компаний широко использовали это в свое время, оснащая такими двигателями утилитарные или дешевые модели. Неудачная форма камеры сгорания, продиктованная расположением клапанов, которые находятся с одной стороны цилиндре, ограничивает КПД двигателя. В связи с этим нижнеклапанный двигатель развивает меньшую мощность и потребляет большее количество топлива по сравнению с аналогичным верхнеклапанным двигателем.

Неэффективность стала более явной при росте частот вращения двигателя, и традиционный нижнеклапанный двигатель эволюционировал в одноцилиндровый двигатель большого объема с относительно низкой мощностью. При оснащении его большими маховиками он развивает высокий крутящий момент при низких частотах вращения двигателя, в связи с чем был популярен у приверженцев мотоциклов с колясками. Эти эластичные и простые двигатели былиособенно надежны, кроме того, их было очень легко ремонтировать, если возникали какие-то проблемы.

Упадок нижнеклапанных двигателей пришелся на годы после Второй Мировой войны, с появлением современных материалов и технологий производства. Наряду с более конкурентоспособной конструкцией OHV, нижнеклапанный двигатель исчез из мира мотоциклов, но по прежнему его можно встретить на газонокосилках и подобных машинах, где простота и дешевизна перевешивают любые другие факторы.

Верхнеклапанная конструкция. Механизм газораспределения (OHV)Править

Конструкция механизма OHV

Строго говоря, термин «верхнеклапанный двигатель» охватывает все четырехтактные двигатели, конструкция механизма газораспределения которых отличается от нижнеклапанной. Однако обычно не применяется в отношении двигателей с верхним распределительным валом (SOHC и DОНС), а используется для обозначения верхнеклапанных двигателей с нижним распредвалом и толкателями.

В верхнеклапанном двигателе применяются длинные штанги, проходящие через туннель в блоке и головке цилиндров, расположенный в приливе головки цилиндра невдалеке от стержней клапанов. Толкатели и торцы стержня клапана связаны короткими коромыслами, которые могут вращаться на оси. Регулировка зазора в клапанах производится при помощи как винта и контргайки на одном из плеч коромысла, так и толкателя телескопического типа, длину которого можно изменять. По конструкции верхнеклапанный двигатель очень бпизок к нижнеклапанному, хотя у первого множество преимуществ, главным из них является независимость при проектировании формы камеры сгорания. Во многих отношениях полусферическая камера сгорания является идеальной, и верхнеклапанная конструкция с расположением клапанов под углом к вертикали образует высокоэффективную форму камеры сгорания. Такое расположение клапанов способствует эффективному газообмену и более полному сгоранию топливовоэдушной смеси. Эта основная компоновка двигателя OHV хорошо зарекомендовала себя за несколько десятилетий, но сегодня ее вытеснинили верхневальные конструкции (за исключением нескольких моделей, которые все еще находятся в производстве).

Стремление повысить мощность неизбежно привело к снижению ограничений по конструкции, сначала на спортивных, а позже и на дорожных мотоциклах. При заданной форме камеры сгорания один из способов достижения большей мощности двигателя заключается в повышении скорости его работы, то есть числа оборотов, и, следовательно, количества рабочих ходов в минуту. При повышении частоты вращения двигателя ряд технических ограничений начинает вызывать затруднения, особенно в узлах клапанного механизма. При работе двигателя на высоких частотах вращения прочность толкателей, штанг и коромысел должна быть достаточной для того, чтобы выдержать возросший уровень нагрузки, К сожалению, увеличение прочности неизменно приводит к росту веса, а это уже служит причиной других проблем.

По мере того, как кулачок распредвала поднимает толкатель и штангу, открывая клапан через коромысло,скорость перемещения этих узлов постепенно увеличивается. До достижения определенной скорости проблем не возникает, но как только скорость превышает значение скорости, заданное конструктивными параметрами данного двигателя, вес узлов клапанного механизма становится таким, что они не могут достаточно быстро отслеживать профиль кулачка. В этот момент клапана начинают «зависать», несмотря на усилие возвратных пружин. Мало того, что это ограничивает частоту вращения двигателя, зависание клапанов приводит к риску изгиба или смещения штанг толкателей, а в отдельных случаях — риску выхода впускных и выпускных клапанов в камеру сгорания. Если это происходит, то в следующий момент, когда поршень достигает верхней мертвой точки, он ударяет по клапанам, что приводит к серьезным повреждениям. Одним из решений является установка усиленных клапанных пружин, но это вызывает усиление трения, снижение мощности и приводит к ускоренному износу. Кроме того, это может привести к вибрации (отскоку) клапана. Узлы клапанного механизма можно облегчить, но одновременно с этим происходит их ослабление. Альтернативой может быть использование специальных материалов для производства узлов, но, несмотря на то. что они будут легче и прочнее, их стоимость сильно возрастет.

Из вышеописанного можно сделать вывод, что конструкция нижневального двигателя с толкателями (OHV) эффективна для многих целей, ню там, где необходимо достижение высокой мощности и частоты вращения, она имеют ограниченное применение. Там, где применяется такая схема, например, на прочном и долговечном одноцилиндровом двигателе Honda CG125 или на V-образных двухцилиндровых двигателях Moco-Guzzi, получающаяся в результате машина — простая и надежная «рабочая лошадка*, хотя и не отличающаяся выдающимися характеристиками.

Преимущество использования вышеописанной схемы на V-образном двигателе состоит в том, что используется только один распредвал — деталь, которую относят к числу дорогостоящих. Но поскольку большинство V-образных двухцилиндровых двигателей используется на мотоциклах типа «чёпер» и «турер», скромные характеристики не беда. Во многих отношениях нижневальный двигатель с толкателями (OHV) на данный момент равноценен исчезнувшим нижнеклапанным двигателям.

Конструкция механизма газораспределения с одним верхним распредвалом (SOHC)Править

Чтобы преодолеть затруднения, вызванные увеличением веса узлов клапанного механизма, желательно устранить как можно больше деталей, двигающихся возвратно-поступательно. К ним относятся: толкатель, штанга, коромысло и сам клапан. В отношении толкателя и клапана мало что может быть сделано, кроме понижения их веса за счет тщательного выбора оптимальной конструкции и использования прочных, долговечных, но легких материалов. На спортивных двигателях, где затраты на производство не имеют значения, могут использоваться экзотические материалы типа титана, но для массового производства это неприменимо.

Единственное, что можно сделать, это перенести распредвал в головку цилиндров и избавиться от толкателя, а кулачки заставить работать непосредственно по закаленному подпятнику коромысла (рокера или рычага, как их иногда называют). Сама идея не нова, существует множество примеров довоенных четырехтактных двигателей с верхними распредвалами. В типичном двигателе с вархним распредвалом (SDHC) распредвал размещен в головке цилиндров между впускными и выпускными клапанами.

Клапанный механизм

 

 

 

Клапанный механизм включает в себя следующие детали: клапаны, на­правляющие втулки, седла клапанов, возвратные пружины, опорные тарел­ки, сухари, механизм вращения клапана (двигатель ЗИЛ-508.10).

Клапаны предназначены для герметизации цилиндра при тактах сжатия и рабочего хода и соединения их с трубопроводами впускной или выпускной системы при тактах впуска или выпуска в процессе газообмена.

Условия работы клапанов:

• большие динамические нагрузки;

• высокие скорости перемещения;

• неравномерный нагрев отдельных участков;

• повышенная коррозионно-активная среда.

Материал изготовления клапанов

Клапаны изготовляются из легированных сталей с высоким содержани­ем хрома и никеля.

 

 

Устройство клапана

Притирка клапанов Притирка клапанов обеспечивают лучшую герметичность. Как проводится притирка клапанов и какие приспособления используются для притирки клапанов

Клапан состоит из головки (или тарелки) и стержня. Различают клапа­ны с плоской, выпуклой и тюльпанообразной головками. Головки обычно имеют небольшой (около 2 мм) цилиндрический поясок и уплотнительную фаску, снятую под углом 45 и 30 градусов. Уплотнительные фаски клапанов шли­фуют и притирают к седлам (притирка клапанов), а стержни подвергают термообработке, шли­фовке, полировке и покрывают хромом. Торцы стержней (3—5 мм) закали­вают. На концах стержней имеются цилиндрические, конусные или фасон­ные проточки для крепления клапанных пружин.

Чтобы уменьшить напряженность выпускных клапанов, возникающую вследствие высоких температур, в ряде двигателей применяют натриевое ох­лаждение. С этой целью клапан выполняют полым с утолщенным стержнем и примерно на 1/3 полости заполняют металлическим натрием, температура плавления которого составляет около 97 К. В рабочем состоянии расплав­ленный натрий, перемещаясь внутри полости при возвратно-поступатель­ном движении клапана, увеличивает интенсивность отвода теплоты от горя­чей головки к более холодному стержню и далее к направляющей втулке.

Направляяющие втулки

Направляющие втулки обеспечивают строго перпендикулярное относи­тельно седла перемещение клапанов. Материалом для изготовления направ­ляющих втулок служат в основном перлитный чугун и металлокерамика, представляющая собой смесь из порошков железа, меди и графита, которые подвергаются прессованию, спеканию в печи и пропитыванию маслом. Отвозможного просачивания в цилиндры масла, стекающего по стержням впускных клапанов, последние снабжаются само подвижными манжетами.

Клапанные пружины

Клапанные пружины обеспечивают плотное прилегание клапанов к сед­лам и своевременное их закрытие после завершения действия кулачков рас­пределительного вала. Характеристику (жесткость) клапанных пружин под­бирают из условий сохранения кинематической связи между деталями меха­низма газораспределения. Клапанные пружины изготовляются из стальной проволоки диаметром 4-6 мм, легированной марганцем и хромом.

Нижним концом пружина опирается на головку блока цилиндров через специальную опорную тарелку, а верхним концом соединяется двумя сухарями с клапаном через верхнюю тарелку. Для этой цели сухари на внут­ренней поверхности имеют выступы, которые входят в проточку клапана, а гладкая наружная поверхность сухарей выполнена в виде усеченного конуса.

Два сухаря установленные на клапан, образуют опорную коническую поверхность, которая сопрягается с опорной поверхностью проточки в верхней тарелке, и это соединение удерживается в замкнутом состоянии за счет предварительного сжатия пружины. Чтобы устранить возможность возникновения опасного для прочности пружин резонанса, на клапаны ставят по две пружины с навивкой витков в противоположные стороны или делают пружины с переменным шагом навивки.

Седла клапанов

Седла клапанов. Наиболее важным сопряжением, определяющим долго­вечность механизма газораспределения, является сопряжение седло — кла­пан, так как оно подвержено ударным нагрузкам при посадке клапана и значительным термическим перегрузкам. Седло клапана, с которым сопри­касается уплотнительная фаска клапана, обрабатывают инструментом с уг­лами заточки 15, 45 и 75 градусов таким образом, чтобы уплотнительный поясок седла имел угол 45 градусов и ширину около 2 мм. По своим размерам поясок дол­жен подходить ближе к меньшему основанию конусной фаски клапана. Фаска клапана имеет меньший угол и соприкасается с седлом только узким пояском у своего большого основания, что обеспечивает хорошее уплотне­ние клапанного отверстия. Вставные седла изготовляются в виде отдельных колец из специального чугуна, легированной стали или металлокерамики.

Механизм вращения клапана

Для поддержания в рабочем состоянии контактных поверхностей уплотнительных фасок выпускных клапанов иногда применяют специальные устройства, позволяющие принудительно поворачивать клапаны в процессе работы.

Механизм вращения клапана состоит из неподвижного корпуса, в наклонных канавках которого расположены пять шариков с возвратными пружинами, дисковой пружины и опорной шайбы с замочным кольцом. Механизм вращения клапана устанавливается в расточке, сделанной в головке блока цилиндров иол опорной шайбой клапанной пружины. При закрытом клапане давление на дисковую пружину невелико, и она вогнута наружным краем вверх, а внутренним краем опира­ется в заплечик корпуса. Шарики отжаты пружинами в исходное положе­ние. В момент открытия клапана усилие со стороны клапанной пружины возрастает, под действием чего дисковая пружина, выпрямляясь, перелает усилие на шарики и вызывает их перемещение в углубление. Когда клапан закрывается, сила, действующая на дисковую пружину, уменьшается, и она, выгибаясь, освобождает шарики. Шарики под действием возвратных пру­жин перемешаются в исходное положение, что приводит к повороту клапа­на на некоторый угол (клапаны совершают 20—40 оборотов в минуту).

В некоторых двигателях применяют менее эффективное, но более про­стое устройство, основанное на использовании способа крепления клапан­ной пружины на стержне клапана. Крепление пружины на клапане состоит из опорной тарелки, втулки и двух сухарей.

Неисправности ГРМ, подробнее

Механизм вращения клапана, устройство и назначение механизма вращения клапана

На некоторых двигателях применяется механизм вращения клапана, задача которого проворачивать клапан, чем и препятствует образованию нагара на посадочной поверхности тарелки клапана. Применение вращательного механизма обеспечивает  длительную работу клапанов и их равномерное изнашивание. 

Устройство механизма вращения клапана

Механизм вращения клапана состоит из: неподвижного корпуса 2 в наклонных канавках которого расположены пять шариков 3 с возвратными пружинами 10, дисковой пружины 9 и опорной шайбы 4 с замочным кольцом 5. Механизм устанавливается в рас­точке, сделанной в головке цилиндров под опорной шайбой 4 кла­панной пружины 6, закрепляемой на стержне 1 с помощью сухари­ков 8 и тарелки 7. При закрытом клапане давление на дисковую пружину 9 сравнительно невелико, и она выгнута наружным краем вверх, а внутренним краем опирается в заплечик корпуса 2. Шари­ки 3 отжаты пружинами 10 в исходное положение.



 

В момент открытия клапана давление клапанной пружины на опор­ную шайбу 4 возрастает; под действием этого давления дисковая пружина 9, выпрямляясь, передает давление на шарики 3 и вызы­вает их перемещение в конечное положение. Вместе с шариками перемещаются дисковая пружина с опорной шайбой, клапанная пружина и клапан. Когда клапан закрывается, давление на дисковую пружину 9 уменьшается, и она, выгибаясь, вновь касается своим внутренним краем заплечиков корпуса 2, освобож­дая тем самым шарики 3. Шарики под действием возвратных пру­жин перемещаются в исходное положение. Таким образом, при каждом открытии клапана происходит его поворот на некоторый угол. (При номинальном скоростном режиме клапаны совершают 20—40 об/мин.)

 

 



С целью проворачивания клапанов (в том числе и впускных) в ряде двигателей применяют менее эффективное, чем рассмотренное выше, но более простое устройство, основанное на использовании свойств специального способа крепления клапан­ной пружины на стержне клапана. Так, на примере клапанного механизма двигателя ЗМЗ-21, крепление пружины на клапане состоит из опорной тарелки, втулки  и двух сухарей . Контакт между опорной тарелкой и втулкой имеет место только на неболь­шой торцовой поверхности втулки, благодаря чему сила трения между этими деталями сравнительно невелика. Поэтому во время работы двигателя под действием вибраций узла клапан — пружина скручивание пружины при подъеме клапана обеспечивает его про­ворачивание.

Клапанный механизм

  Система привода клапанов газораспределительного механизма

В зависимости от расположения клапанов относительно цилиндров двигатели делятся на верхнеклапанные (с их расположением в головке цилиндров) и нижнеклапанные. Для отечественных автомобилей нижнеклапанные двигатели применялись в моделях 1940-60 гг.

Их основные недостатки: меньший коэффициент наполнения, ограниченная степень сжатия.

У верхнеклапанных автомобильных двигателей с номинальной частотой вращения до 5000-5500 об/мин распределительный вал устанавливался в блоке цилиндров (нижнее расположение) или в картере в развале между цилиндрами. Привод клапанов производился толкателями, штангами и коромыслами.

Недостаток такого привода: повышенная масса поступательно движущихся частей, возникновение колебаний в системе привода. Все это ограничивало максимально допустимую частоту вращения. Поэтому распределительные валы современных высокооборотных двигателей легковых автомобилей располагаются в головках цилиндров. Привод распределительного вала (или двух, а иногда и четырех валов и пяти) осуществляется шестернями, цепью, зубчатым ремнем.

Привод шестернями применяется преимущественно в старых моделях двигателей при расположении распределительного вала в блоке цилиндров или в двигателях с V-образным расположением цилиндров.

Основные недостатки: усложнение конструкции, увеличение момента инерции, высокий уровень шума, особенно после большого пробега. Для снижения уровня шума шестерню распределительного вала выполняют из пластмассы. Зацепление делается с косым зубом и по возможности с малым модулем.

На большинстве автомобильных двигателей используется привод одной или несколькими однорядными или двухрядными втулочно-роликовыми цепями или зубчатыми ремнями. Привод цепью более надежный, хотя и несколько более шумный, чем привод зубатым ремнем. Конструкция двигателя с приводом зубчатым ремнем упрощается, т.к. не требуется смазки и появляется возможность использования его для привода внешних агрегатов (насоса охлаждающей жидкости, генератора компрессора кондиционера и др.). Несмотря на использование в зубчатых ремнях синтетических материалов со стекловолоконным или проволочным кордом, недостатком привода зубчатым ремнем, является необходимость менять ремни через заданный пробег (обычно 50-100 тыс. км). При износе сальника распределительного вала масло попадает на зубчатый ремень, что приводит к его выходу из строя. Кроме того, бывают случаи обрыва ремня из-за попадания в привод посторонних предметов.

Системы привода распределительного вала (валов) зубчатым ремнем или цепью оснащаются натяжителем с механическим или гидравлическим приводом для компенсации производственных отклонений и износа в процессе эксплуатации. Натяжители цепей выполняются в виде пластмассового башмака или с натяжными звездочками или роликами. С цепью предотвращения колебаний на участках ведущих участков цепи устанавливаются успокоители, как правило, из пластмассы.

В зависимости от количества клапанов и их расположения выбирается конструкция системы привода. При однорядном параллельном расположении клапанов их привод осуществляется непосредственно через толкатель, либо рычаг (рокер). При двухрядном расположении клапанов и одном распределительном вале привод клапанов выполняется обычно при помощи коромысел. Для повышения наполнения в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала двигатели оснащаются системами с изменяемыми фазами газораспределения (в основном с изменением фаз впускного клапана).

Существуют следующие способы изменения фаз газораспределения:

Система управления газораспределением с изменением длины набегающей ветви ремня: 1,4 — зубчатые шестерни; 2 — зубчатые звездочки; 3 — зубчатый ремень с натяжной звездочкой, изменяющей длину ведущего участка цепи

— при помощи муфты с винтовыми шлицами или зубьями, связанной с ведомой звездочкой распределительного вала;
— при помощи муфты с роторным механизмом, поворачивающим распределительный вал относительно ведомой звездочки;
— трехрокерным механизмом (Honda), позволяющим изменять продолжительность открытия клапана, с отключаемым рокером.

Существуют механизмы для изменения высоты подъема клапана. Оригинальный механизм привода создан фирмой БМВ у 4-х и 8-ми цилиндровых двигателей для регулирования фаз газораспределения, высоты подъема впускных клапанов, а также длины впускных каналов.


Схема управления фазами газораспределения, высотой подъема впускных клапанов и длиной впускных каналов на двигателе BMW Walvetronic

При повороте электромотором эксцентрикового вала изменяется угол наклона нижней рабочей поверхности промежуточного рычага. При набегании кулачка на средний ролик этого рычага изменяется ход рокера и соответственно, ход клапана. Снижение наполнения цилиндров и соответственно, мощности двигателя, достигается уменьшением высоты подъема впускных клапанов от 9,7 мм до необходимой величины (0,5-2,0 мм на малых нагрузках и холостом ходу). При малой высоте подъема клапана, кроме снижения потерь на газообмен, повышаются скорости прохождения смеси через клапанную щель до критических. Это улучшает смесеобразование, снижаются механические потери на привод клапанного механизма, шум двигателя, износ деталей. В случае регулирования мощности высотой подъема клапана нет затрат времени на заполнение ресивера и впускных патрубков, а соответственно, ошибок в показаниях датчика расхода воздуха в начальный период разгона автомобиля. Время срабатывания механизма — 300 мс. Получаемый эффект по экономии расхода топлива достигает 14%, кроме того, удается обеспечить выполнение перспективных норм токсичности Евро-4. Существенно улучшаются и динамические качества автомобиля.

  Профиль кулачка и величина теплового зазора для предотвращения стука выбираются таким образом, чтобы момент касания кулачка толкателя или рычага привода при любом тепловом режиме соответствовал зоне минимальных ускорении. На тихоходных двигателях профиль кулачка выполнялся по двум или трем дугам окружности. Для современных быстроходных двигателей существуют методики выбора безударного профиля кулачка с учетом обеспечения надежной работы газораспределительного механизма при максимальных частотах вращения. В некоторых двигателях кулачки распредвалов делаются с несимметричным профилем.

  Клапанные пружины выбираются расчетом так, чтобы в зоне отрицательных ускорений обеспечивали необходимый запас суммарных усилий пружин для безопасной работы клапанного механизма. Стремление повысить мощностные показатели двигателей ограничивалось возможностями привода клапанного механизма. Для расширения этих возможностей требовалось увеличение усилия клапанных пружин, что приводило к повышенному износу пар трения и увеличению механических потерь. Кроме того, в результате резонансных явлений в клапанных пружинах нарушалась работа всего механизма.

После посадки в седло клапан один или два раза подпрыгивает, что резко снижает наполнение цилиндров. Для смещения зоны резонансных колебаний пружины в сторону повышенных частот вращения они выполняются с переменным шагом или внутри основной пружины устанавливается пружина из плоской ленты, выполняющая функцию демпфера. Чтобы обеспечить работу системы газораспределения без клапанных пружин, разработаны различные варианты систем принудительного открытия и закрытия клапанов, так называемые десмодромные механизмы. Открытие и закрытие клапана производится со значительно большими ускорениями, что позволяет значительно увеличить «время-сечение» открытого состояния клапана и, следовательно, повысить наполнение на высоких частотах вращения. При работе десмодромного механизма двигателя Mercedes-Benz на режиме 10 ООО об./мин максимальные положительные ускорения клапана достигают значений 17 ООО м/с2, а отрицательные — 8000 м/с2, что в пять-девять раз больше

Десмодромный механизм газораспределения двигателя Mercedes-Benz тина GP:


соответствующих ускорений у обычных газораспределительных механизмов. Существуют и другие варианты десмодромных механизмов. Основной проблемой при создании этих механизмов является обеспечение компенсации зазоров, образующихся при износе, что ограничивает применение их для автомобилей массового производства.

Регулирование теплового зазора.

В системе привода клапана должен сохраняться так называемый тепловой зазор. При максимальной мощности температура выпускного клапана доходит до 750-850 «С, в то время как температура остальных деталей головки цилиндра двигателей с жидкостным охлаждением не превышает 100-120 °С. Стержень клапана удлиняется на большую величину, чем остальные детали головки, при этом тепловой зазор уменьшается. Если при перегреве клапана (например, из за позднего зажигания), износе седла и фаски клапана или неправильной регулировке зазора нарушится герметичность и прижатие клапана к седлу, то произойдет прогар клапана. Профиль кулачка и величина теплового зазора для предотвращения стука выбираются таким образом, что бы момент касания кулачка толкателя или рычага привода при любом тепловом режиме соответствовал зоне минимальных ускорений.

На практике тепловой зазор двигателей с жидкостным охлаждением определяется при помощи плоского щупа. При этом приходится учитывать конструктивные особенности двигателя, износ контактирующих поверхностей и др. Наименьшую массу поступательно движущихся частей удается добиться в приводе клапана от кулачка непосредственно через толкатель. В этом случае регулирование теплового зазора осуществляется путем замены цилиндрических вставок для всех клапанов. При износе контактных поверхностей фактический тепловой зазор получается больше замеренного плоским щупом. Поэтому наиболее точным способом является замер зазора специальным приспособлением с использованием индикатора.
Для исключения необходимости проверки и реагирования теплового зазора, а также предотвращения прогара клапана при износе седел и фасок клапанов большинство современных двигателей оборудуются системой автоматического регулировании теплового зазора. В случае привода клапана при помощи рычага в его опоре делается гидравлический регулируемый элемент. В двигателях с приводом через толкатель его выполняют с гидравлическим компенсатором теплового зазора (гидротолкатель). Гидротолкатели применяются на двигателях с нижним расположением распредвала со штанговым приводом и на двигателях с непосредственным приводом от распределительного вала. Масло из системы смазки подается сначала во внутреннюю полость толкателя, а затем через шариковый или пластинчатый клапан во внутреннюю полость между наружным и внутренним плунжером. Под давлением масла толкатель прижимается к кулачку. При набегании кулачка на толкатель внутри плунжерной пары создастся высокое давление, обеспечивая открытие клапана. После длительной остановки двигателя масло из гидротолкателя открытого клапана вытекает, что после пуска приводит к стуку клапанов в течение нескольких секунд. При сильном износе плунжерных пар в гидравлических толкателях или упорах рычага привода время работы со стуком клапанов увеличивается. В случае попадания в масло воздуха (при вспенивании масла) находящийся внутри толкателя воздух выдавливается и не нарушает работу толкателя.

В двигателях с приводом клапана при помощи рычага автоматическое реагирование теплового зазора осуществляется гидравлическим упором. Принцип его работы аналогичен гидротолкателю. Масто из системы смазки заполняет внутреннюю полость гидравлического упора, прижимая рычаг к кулачку. При применении гидротолкателей или гидравлических упоров тепловой зазор достигается за счет незначительной утечки масла через зазор плунжерной пары. В системах газораспределения с гидротолкателями или гидравлическими упорами требуется применение масел с высокой степенью очистки и с пологими температурными кривыми вязкости. Читать далее >>>

  Увеличение мощности тюнинг двигателя    на главную разгон до 100        0-100 км/ч    0-100  


Клапаны, устройство и назначение клапана

Кла́пан — это устройство, предназначенное для открытия, закрытия, а также регулирования потока горючей смеси, которая попадает в цилиндры двигателя и выпуска отработавших газов.

Для нормальной работы четырехтактного двигателя требуется, как минимум, по два клапана на каждый цилиндр — впускной клапан и выпускной клапан. В данный момент широкое распространение получили клапаны тарельчатого типа со стержнем. Для качественного наполнения цилиндра горючей смесью диаметр тарелки впускного клапана делается немного больше, чем у выпускного.



 

Из чего изготавливают клапана

Седла клапанов изготавливаются из чугуна или стали, затем запрессовываются в головку блока цилиндров. Клапаны во время работы двигателя подвержены значительным механическим и тепловым нагрузкам, поэтому необходимо подбирать специальный сплав для изготовления детали.

Клапана для высокофорсированных двигателей должны хорошо охлаждаться, поэтому в них применяют клапаны с полым стержнем, с наполнением натрия внутри. При достижении рабочей температуры натрий плавится и начинает перетекать от тарелки клапана, к стержню равномерно распределяя тепло. Для равномерности теплопередачи и уменьшения нагара на фасках клапана применяют механизмы вращения клапана.

 

Виды ГРМ


Существуют следующие виды газораспределительных механизмов: нижнеклапанный ГРМ и верхнеклапанный ГРМ. Сегодня, на современных автомобилях, используются только верхнеклапанные ГРМ, когда клапаны располагаются в головке цилиндров.

Клапан удерживается в закрытом состоянии с помощью клапанной пружины, а открывается при нажатии на стержень клапана. Клапанные пружины должны иметь определенную жесткость (оптимальную, чтобы не увеличивать ударную нагрузку на седло клапана) для гарантированного закрытия клапана во время работы.

Чтобы снизить потери на трение в ГРМ применяют ролики, которые установлены на рычагах и толкателях привода клапанов. Применение роликов в клапанном механизме заменяет трение скольжения, на трение качение, что значительно уменьшает потери на привод клапанов.

При открытии впускного клапана проходит топливно-воздушная смесь (или воздух) наполняя цилиндр двигателя. Чем больше площадь проходного сечения, тем полнее заполнится цилиндр, что приводит к повышению выходных показателей цилиндра при рабочем ходе. Для улучшения очистки цилиндров от продуктов сгорания увеличивают диаметр тарелки выпускного клапана. Правда, размеры тарелок клапанов ограничены размером камеры сгорания, выполненной в головке цилиндров. Многое также зависит от регулировки клапанов. 

Применение четырех клапанов на цилиндр началось еще в 1912 г. на двигателе автомобиля PeugeotGranPrix. Широкое использование такой схемы в серийном производстве легковых автомобилях началось только в конце 1970-х гг. Сегодня ГРМ с четырьмя клапанами на цилиндр стали практически стандартными для двигателей европейских и японских легковых автомобилей.

Mercedes выпускает двигатели, которые имеют по три клапана на цилиндр, два впускных и один выпускной, с двумя свечами зажигания (по одной с каждой стороны от выпускного клапана).

Существует практика использования даже 5 клапанов на цилиндр (3 впускных и 2 выпускных). Такой технологией практикует автомобильная группа Volksvagen-Audi, но при этом значительно усложняется привод клапанного механизма.